JP5104701B2

JP5104701B2 - セメントクリンカの製造方法及び製造装置

Info

Publication number: JP5104701B2
Application number: JP2008257299A
Authority: JP
Inventors: 健之君島; 尚井ノ川; 正芳小西; 李穂林
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 2008-10-02
Filing date: 2008-10-02
Publication date: 2012-12-19
Anticipated expiration: 2028-10-02
Also published as: JP2010083735A

Description

本発明は、セメントクリンカの製造方法及び製造装置に関し、更に詳しくは、ポルトランドセメントに代表される水硬性クリンカを流動層セメント焼成設備を用いて製造する際に、発生する二酸化炭素を流動層セメント焼成設備の外方へ排出することがなく、さらには、この二酸化炭素を排ガスから分離・回収することが可能なセメントクリンカの製造方法及び製造装置に関するものである。

近年、化石燃料の燃焼消費に伴い発生する二酸化炭素の排出が地球温暖化の原因とされており、そこで、二酸化炭素の排出を防止するための対策として、二酸化炭素の発生および大気への放出を抑制するための様々な検討が成されている。
例えば、水硬性クリンカの代表として挙げられるポルトランドセメントは、製造工程にて生成するセメント１ｔ当たり８００ｋｇ程度の二酸化炭素を排出するといわれており、セメント製造設備からの二酸化炭素の年間の総排出量は相当なものとなる。ちなみに、日本におけるセメント製造設備全体から排出される二酸化炭素の年間の総排出量は日本全体の年間総排出量の５％を占めるといわれている。このポルトランドセメントの焼成設備としては、例えば、流動層焼成炉等が挙げられる（特許文献１）。
特公平４−２０８６４号公報

ところで、ポルトランドセメントは、原料に石灰石を用いていることから、この石灰石及びケイ酸質粘土、酸化鉄等を微粉砕して混合したセメント原料を１４５０℃程度の温度で焼成すると、燃料燃焼により発生する二酸化炭素以外に、石灰石の脱炭酸反応に伴う二酸化炭素の発生があり、この脱炭酸反応由来の二酸化炭素の排ガス中に占める割合が６５％にも上るという問題点があった。
このように、セメントクリンカを製造する際に二酸化炭素が大量に発生することから、セメント製造工程から発生する二酸化炭素を削減することが、セメント業界にとって大変重要な問題となっている。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、セメントクリンカを流動層セメント焼成設備を用いて製造する際に、セメント原料の焼成に伴う燃料燃焼により発生する二酸化炭素、及びセメント原料の脱炭酸反応により発生する二酸化炭素を流動層セメント焼成設備の外方へ排出する虞がなく、さらには、この二酸化炭素を排ガスから分離・回収することができるセメントクリンカの製造方法及び製造装置を提供することを目的とする。

本発明者等は、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、セメント原料を流動層セメント焼成設備を用いて焼成し、セメントクリンカを生成する際に、この流動層セメント焼成設備に燃料及び酸素を供給して燃焼させ、この燃焼により生じた燃焼熱を用いてセメント原料を焼成するとともに、この燃焼により生じた排ガスを流動層セメント焼成設備にて循環させれば、セメント原料の焼成に伴う燃料燃焼により発生する二酸化炭素、及びセメント原料の脱炭酸反応により発生する二酸化炭素を流動層セメント焼成設備の外方へ排出する虞がないことを見出し、さらに、この排ガス中の二酸化炭素の濃度が７５体積％以上となったときに、この排ガスを圧縮・冷却して該排ガスに含まれる二酸化炭素を液化し、分離・回収すれば、排ガス中の二酸化炭素を効率的に回収することができることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明のセメントクリンカの製造方法は、セメント原料を流動層セメント焼成設備を用いて焼成し、セメントクリンカを生成するセメントクリンカの製造方法において、前記流動層セメント焼成設備に燃料及び酸素を供給して燃焼させ、この燃焼により生じた燃焼熱を用いて前記セメント原料を焼成し、かつ、この燃焼により生じた排ガスを前記流動層セメント焼成設備にて循環させるとともに、前記排ガスに含まれる二酸化炭素を前記排ガスから分離・回収することを特徴とする。

このセメントクリンカの製造方法では、流動層セメント焼成設備に燃料及び酸素を供給して燃焼させ、この燃焼により生じた燃焼熱を用いてセメント原料を焼成し、かつ、この燃焼により生じた排ガスを前記流動層セメント焼成設備にて循環させるとともに、前記排ガスに含まれる二酸化炭素を前記排ガスから分離・回収することにより、セメント原料の焼成に伴う燃料燃焼により発生する二酸化炭素、及びセメント原料の脱炭酸反応により発生する二酸化炭素は排ガスと共に流動層セメント焼成設備内を循環して高濃度の二酸化炭素を含む排ガスとなり、この二酸化炭素が流動層セメント焼成設備の外方へ排出する虞がなくなる。

前記排ガスを前記流動層セメント焼成設備にて循環させることにより、前記排ガス中の二酸化炭素の濃度を７５体積％以上にすることが好ましい。
二酸化炭素の濃度が７５体積％以上の前記排ガスを圧縮・冷却して該排ガスに含まれる二酸化炭素を液化し、この液化二酸化炭素を前記排ガスから分離・回収することが好ましい。
これにより、高濃度の二酸化炭素を含む排ガスから二酸化炭素が効率的に分離・回収される。

本発明のセメントクリンカの製造装置は、セメント原料を燃料が燃焼することにより生じた燃焼熱を用いて焼成する流動層セメント焼成設備と、この流動層セメント焼成設備に燃料を供給する燃料供給手段及び酸素を供給する酸素供給手段と、前記燃料の燃焼により生じた排ガスを前記流動層セメント焼成設備にて循環させる排ガス循環手段と、前記排ガスに含まれる二酸化炭素を前記排ガスから分離・回収する手段とを備えてなることを特徴とする。

このセメントクリンカの製造装置では、流動層セメント焼成設備にセメント原料を供給するとともに、燃料供給手段及び酸素供給手段により燃料及び酸素を供給して燃焼させ、この燃焼により生じた燃焼熱を用いてセメント原料を焼成する。
この燃焼により生じた排ガスは排ガス循環手段により流動層セメント焼成設備にて循環される間に、この排ガスに含まれる二酸化炭素が分離・回収され、この二酸化炭素が分離・回収された排ガスは流動層セメント焼成設備の外方へ排出する虞がなくなる。

このセメントクリンカの製造装置は、前記排ガス中の二酸化炭素の濃度が７５体積％以上となったことを検知する検知手段を備え、二酸化炭素を前記排ガスから分離・回収する手段は、前記排ガスを圧縮・冷却して該排ガスに含まれる二酸化炭素を液化し、この液化二酸化炭素を前記排ガスから分離・回収する二酸化炭素分離・回収手段であることを特徴とする。

このセメントクリンカの製造装置では、検知手段により排ガス中の二酸化炭素の濃度が７５体積％以上となったことを検知し、二酸化炭素分離・回収手段により排ガスを圧縮・冷却して該排ガスに含まれる二酸化炭素を液化し、この液化二酸化炭素を前記排ガスから分離・回収する。
これにより、前記排ガスに含まれる二酸化炭素は該排ガスから効率的に分離・回収される。

本発明のセメントクリンカの製造方法によれば、流動層セメント焼成設備に燃料及び酸素を供給して燃焼させ、この燃焼により生じた燃焼熱を用いてセメント原料を焼成し、かつ、この燃焼により生じた排ガスを流動層セメント焼成設備にて循環させるとともに、前記排ガスに含まれる二酸化炭素を前記排ガスから分離・回収するので、この流動層セメント焼成設備内を循環する排ガスに含まれる二酸化炭素を分離・回収することで、この二酸化炭素が流動層セメント焼成設備の外方へ排出するのを防止することができる。

また、流動層セメント焼成設備に燃料の供給と同時に酸素を供給するので、燃料を完全燃焼させることができ、二酸化炭素の発生量及び焼成時の温度を制御することができる。したがって、流動層セメント焼成設備におけるセメントクリンカの焼成能力を向上させることができる。

本発明のセメントクリンカの製造装置によれば、セメント原料を焼成する流動層セメント焼成設備と、この流動層セメント焼成設備に燃料を供給する燃料供給手段及び酸素を供給する酸素供給手段と、前記燃料の燃焼により生じた排ガスを前記流動層セメント焼成設備にて循環させる排ガス循環手段と、前記排ガスに含まれる二酸化炭素を前記排ガスから分離・回収する手段とを備えたので、この流動層セメント焼成設備内を循環する排ガスに含まれる二酸化炭素を該排ガスから分離・回収することで、この二酸化炭素が流動層セメント焼成設備の外方へ排出するのを防止することができる。

また、燃料供給手段及び酸素供給手段により流動層セメント焼成設備に燃料の供給と同時に酸素を供給するので、燃料を完全燃焼させることができ、二酸化炭素の発生量及び焼成時の温度を制御することができる。したがって、流動層セメント焼成設備におけるセメントクリンカの焼成能力を向上させることができる。

本発明のセメントクリンカの製造方法及び製造装置を実施するための最良の形態について、図面に基づき説明する。
なお、本実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。

図１は、本発明の一実施形態のセメントクリンカの製造装置を示す模式図であり、図において、１は乾燥・粉砕されたセメント原料Ｒを予熱・仮焼する複数段のサイクロン１ａ〜１ｄからなるサスペンションプレヒータ、２は予熱・仮焼されたセメント原料Ｒを燃焼熱を用いて焼成する流動層セメント焼成設備、３、４は流動層セメント焼成設備２に燃料を供給する燃料用バーナー（燃料供給手段）、５は流動層セメント焼成設備２に酸素ガスを供給する酸素混合器（酸素供給手段）、６は流動層セメント焼成設備２にて燃料の燃焼により生じた排ガスを再度流動層セメント焼成設備２に戻して循環させるファン（排ガス循環手段）、７は排ガス中の二酸化炭素（ＣＯ_２）の濃度が７５体積％以上となったことを検知する検知器（検知手段）、８は排ガスを圧縮・冷却して該排ガスに含まれる二酸化炭素を液化し、この液化二酸化炭素を排ガスから分離・回収する二酸化炭素圧縮機（二酸化炭素分離・回収手段）である。

流動層セメント焼成設備２は、サスペンションプレヒータ１にて予熱・仮焼されたセメント原料Ｒを造粒する噴流層造粒炉１１と、噴流層造粒炉１１にて造粒されたセメント造粒粉を燃料及び酸素の燃焼熱を用いて焼成する流動層焼成炉１２と、流動層焼成炉１２にて生成した焼成物であるセメントクリンカを急冷する１次流動層冷却装置１３と、１次流動層冷却装置１３にて急冷されたセメントクリンカをさらに冷却する２次流動層冷却装置１４とにより構成されている。
なお、酸素混合器５に供給される酸素ガスは、液化法（ＰＡＳ法）、深冷却法等の一般的な方法で容易に得ることができる。

次に、セメントクリンカの製造方法について、図１に基づき説明する。
サスペンションプレヒータ１にて予熱・仮焼された粉状のセメント原料Ｒは、噴流層造粒炉１１に投入されて噴流により所定時間滞留され、所定の大きさにまで成長し造粒される。ここで、噴流層造粒炉１１内で造粒されなかったセメント原料Ｒはサイクロン１ｄを経由して再度、噴流層造粒炉１１に投入される。

噴流層造粒炉１１にて造粒されたセメント原料Ｒ’は、流動層焼成炉１２に投入される。
この流動層焼成炉１２では、燃料用バーナー４により燃料を供給するとともに、酸素混合器５にてサスペンションプレヒータ１から排出される排ガスに液化法（ＰＡＳ法）、深冷却法等の方法で得られた酸素ガスを所定の割合、例えば、酸素ガス：排ガス＝１：１０〜３：１０（体積比）となるように混合し、この混合ガスを１次流動層冷却装置１３を経て流動層焼成炉１２に供給する。

このように、流動層焼成炉１２に燃料及び酸素ガスと排ガスとの混合ガスを供給することにより、この燃料が酸素ガスにより燃焼し、燃焼熱が発生する。この燃焼熱により噴流層造粒炉１１内は１０００℃〜１４５０℃の温度になるので、セメント原料Ｒ’は焼成されてセメントクリンカとなる。
この場合、流動層焼成炉１２に供給される排ガス中の酸素ガスの濃度は１５〜２５体積％程度、二酸化炭素濃度は７５〜８５体積％程度である。

この焼成されたセメントクリンカは、オーバーフローすることで直ちに１次流動層冷却装置１３に投入され、１０００℃〜１１００℃の温度にまで急冷される。
この急冷されたセメントクリンカは、順次２次流動層冷却装置１４に投入され、１００℃〜３００℃の温度にまで冷却される。

一方、流動層焼成炉１２内は、燃料燃焼により生じる排ガスに、セメント原料Ｒ’の焼成に伴う燃料燃焼により発生する二酸化炭素、及びセメント原料Ｒ’の脱炭酸反応により発生する二酸化炭素が混ざり合って高濃度の二酸化炭素を含む排ガスの雰囲気となる。この雰囲気中の二酸化炭素濃度は８８〜９０体積％程度、酸素ガスの濃度は１０〜２０体積％程度である。
この高濃度の二酸化炭素を含む排ガスは、サスペンションプレヒータ１を経由してファン６により酸素混合器５に送られ、そこで再度酸素ガスが供給されて酸素ガスの濃度が１５〜２５体積％程度の排ガスとなり、流動層焼成炉１２に供給される。

このように、二酸化炭素を含む排ガスが流動層セメント焼成設備２を循環するとにより、流動層焼成炉１２内の二酸化炭素濃度が徐々に上昇する。この二酸化炭素濃度が７５体積％以上になると、検知器７が排ガス中の二酸化炭素（ＣＯ_２）の濃度が７５体積％以上となったことを検知し、開閉弁（図示略）を操作することで、この７５体積％以上の二酸化炭素を含む排ガスを二酸化炭素圧縮機８に導入する。

二酸化炭素圧縮機８では、この排ガスを圧縮・冷却して該排ガスに含まれる二酸化炭素（ＣＯ_２）を液化し、この液化二酸化炭素（Ｌ−ＣＯ_２）を排ガスから分離・回収する。
この二酸化炭素（ＣＯ_２）が取り除かれた排ガスは、再度、酸素混合器５に送られ、そこで再度酸素ガスが供給されて酸素ガスの濃度が１５〜２５体積％程度の排ガスとなり、流動層焼成炉１２に供給される。

以上説明したように、本実施形態のセメントクリンカの製造方法によれば、流動層セメント焼成設備２に燃料及び酸素を供給して燃焼させ、この燃焼により生じた燃焼熱を用いてセメント原料Ｒを焼成し、かつ、この燃焼により生じた排ガスを流動層セメント焼成設備２にて循環させるので、この流動層セメント焼成設備２内を循環する排ガスを高濃度の二酸化炭素を含む排ガスとすることで、この二酸化炭素が流動層セメント焼成設備２の外方へ排出するのを防止することができる。

また、二酸化炭素の濃度が７５体積％以上の排ガスを圧縮・冷却して該排ガスに含まれる二酸化炭素を液化し、この液化二酸化炭素を排ガスから分離・回収するので、排ガスに含まれている二酸化炭素を効率的に分離・回収することができる。
また、流動層セメント焼成設備２に燃料の供給と同時に酸素を供給するので、燃料を完全燃焼させることができ、二酸化炭素の発生量及び焼成時の温度を制御することができる。したがって、流動層セメント焼成設備２におけるセメントクリンカの焼成能力を向上させることができる。

本実施形態のセメントクリンカの製造装置によれば、セメント原料を焼成する流動層セメント焼成設備２と、この流動層セメント焼成設備２に燃料を供給する燃料用バーナー３及び酸素を供給する酸素混合器５と、燃料の燃焼により生じた排ガスを流動層セメント焼成設備２にて循環させるファン６とを備えたので、この流動層セメント焼成設備２内を循環する排ガスを高濃度の二酸化炭素を含む排ガスとすることで、この二酸化炭素が流動層セメント焼成設備２の外方へ排出するのを防止することができる。

また、燃料用バーナー３及び酸素混合器５により流動層セメント焼成設備２に燃料の供給と同時に酸素を供給するので、燃料を完全燃焼させることができ、二酸化炭素の発生量及び焼成時の温度を制御することができる。したがって、流動層セメント焼成設備におけるセメントクリンカの焼成能力を向上させることができる。

以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。

（実施例１）
流動層セメント焼成設備２を用い、酸素混合器５及びファン６により１次流動層冷却装置１３を経て流動層焼成炉１２内に酸素ガスを７０Ｎｍ^３／ｍｉｎ導入し、流動層焼成炉１２内の雰囲気中の二酸化炭素濃度を８１．２体積％、酸素濃度を１４．８体積％としてセメント原料を焼成し、ポルトランドセメントクリンカを作製した。
このポルトランドセメントクリンカを用いてモルタル試験を実施した。
モルタル試験は、日本工業規格ＪＩＳＲ５２０１「セメントの物理試験方法」により行った。
このモルタル試験の結果、流動性、凝結試験、強度試験共に大きな影響は無く、ポルトランドセメントクリンカの品質に全く影響が無かった。

（実施例２）
流動層セメント焼成設備２を用い、酸素混合器５及びファン６により１次流動層冷却装置１３を経て流動層焼成炉１２内に酸素ガスを０．５Ｎｍ^３／ｋｇ−クリンカ導入し、流動層焼成炉１２内の雰囲気中の二酸化炭素濃度を８１．２体積％、酸素濃度を１４．８体積％としてセメント原料を焼成し、ポルトランドセメントクリンカを作製した。
このポルトランドセメントクリンカを用いて実施例１に準じてモルタル試験を実施した。
このモルタル試験の結果、流動性、凝結試験、強度試験共に大きな影響は無く、ポルトランドセメントクリンカの品質に全く影響が無かった。

本発明の一実施形態のセメントクリンカの製造装置を示す模式図である。

符号の説明

１サスペンションプレヒータ
１ａ〜１ｄサイクロン
２流動層セメント焼成設備
３、４燃料用バーナー
５酸素混合器
６ファン
７検知器
８二酸化炭素圧縮機
１１噴流層造粒炉
１２流動層焼成炉
１３１次流動層冷却装置
１４２次流動層冷却装置
Ｒセメント原料
Ｒ’ 造粒されたセメント原料

Claims

セメント原料を流動層セメント焼成設備を用いて焼成し、セメントクリンカを生成するセメントクリンカの製造方法において、
前記流動層セメント焼成設備に燃料及び酸素を供給して燃焼させ、この燃焼により生じた燃焼熱を用いて前記セメント原料を焼成し、かつ、この燃焼により生じた排ガスを前記流動層セメント焼成設備にて循環させるとともに、前記排ガスに含まれる二酸化炭素を前記排ガスから分離・回収することを特徴とするセメントクリンカの製造方法。
前記排ガスを前記流動層セメント焼成設備にて循環させることにより、前記排ガス中の二酸化炭素の濃度を７５体積％以上にすることを特徴とする請求項１記載のセメントクリンカの製造方法。
二酸化炭素の濃度が７５体積％以上の前記排ガスを圧縮・冷却して該排ガスに含まれる二酸化炭素を液化し、この液化二酸化炭素を前記排ガスから分離・回収することを特徴とする請求項２記載のセメントクリンカの製造方法。
セメント原料を燃料が燃焼することにより生じた燃焼熱を用いて焼成する流動層セメント焼成設備と、この流動層セメント焼成設備に燃料を供給する燃料供給手段及び酸素を供給する酸素供給手段と、前記燃料の燃焼により生じた排ガスを前記流動層セメント焼成設備にて循環させる排ガス循環手段と、前記排ガスに含まれる二酸化炭素を前記排ガスから分離・回収する手段とを備えてなることを特徴とするセメントクリンカの製造装置。
前記排ガス中の二酸化炭素の濃度が７５体積％以上となったことを検知する検知手段を備え、
二酸化炭素を前記排ガスから分離・回収する手段は、前記排ガスを圧縮・冷却して該排ガスに含まれる二酸化炭素を液化し、この液化二酸化炭素を前記排ガスから分離・回収する二酸化炭素分離・回収手段であることを特徴とする請求項４記載のセメントクリンカの製造装置。